«ВНУТРИПОПУЛЯЦИОННАЯ И ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ШИРОКОАРЕАЛЬНОГО ВИДА HARMONIA AXYRIDIS PALL. ПО КОМПЛЕКСУ ПОЛИМОРФНЫХ ПРИЗНАКОВ ...»

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ им. Н.К. КОЛЬЦОВА

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ГЕНЕТИКИ им. Н.И. ВАВИЛОВА

На правах рукописи

УДК 591.15:575.17-576.3

04200952266

БЛЕХМАН Алла Вениаминовна

ВНУТРИПОПУЛЯЦИОННАЯ И ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

ШИРОКОАРЕАЛЬНОГО ВИДА HARMONIA AXYRIDIS PALL.

ПО КОМПЛЕКСУ ПОЛИМОРФНЫХ ПРИЗНАКОВ

03.00.15 - генетика Диссертация на соискание ученой степени V кандидата биологических наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор Н.Н. Воронцов доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, профессор И.А. Захаров-Гезехус Москва,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

:

ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Биологические особенности Harmonia axyridis Pall, как объекта популяционно-генетических исследований 1.1.1. Систематическое положение и распространение 1.1.2. Некоторые особенности экологии вида 1.2. Изучение внутривидового полиморфизма у Н. axyridis и у других видов божьих коровок (Coleoptera, Coccinellidae) 1.2.1. Изменчивость рисунка элитр и ее генетическая детерминация.... 1.2.2. Географическая изменчивость рисунка элитр у Coccinellidae 1.2.3. Внутрипопуляционная динамика рисунка элитр у Coccinellidae... 1.2.3.1. Долговременная изменчивость 1.2.3.2. Сезонная динамика 1.2.3.3.Микрогеографическая изменчивость 1.2.4. Изучение у Coccinellidae внутривидовой изменчивости других полиморфных признаков 1.2.4.1. Изменчивость рисунка пронотума 1.2.4.2. Изменчивость элитрального гребня у Н. axyridis

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Материал 2.2. Методы исследования 2.2.1. Первичный анализ морфологических признаков и методы статистического анализа данных 2.2.2. Молекулярно-генетические методы ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ 3.1. Кадастровый список находок//, axyridis и карта нативной части видового ареала 3.2. Изменчивость Н. axyridis по комплексу признаков 3.2.1. Изменчивость рисунка элитр 3.2.1.1. Внутривидовая изменчивость 3.2.1.2. Внутрипопуляционная динамика 3.2.1.2.1. Сезонная изменчивость 3.2.1.2.2. Микрогеографическая изменчивость 3.2.1.2.3. Долговременная изменчивость 3.2.1.3. Географическая изменчивость 3.2.2. Изменчивость элитрального гребня 3.2.2.1. Внутрипопуляционная динамика 3.2.2.2. Географическая изменчивость 3.2.3. Изменчивость рисунка пронотума 3.2.3.1. Внутривидовая изменчивость 3.2.3.2. Сопряженность рисунка пронотума с фенотипом элитр 3.2.3.3. Половой диморфизм рисунка пронотума 3.2.3.4. Внутрипопуляционная динамика 3.2.3.5.2. Географическая изменчивость 3.2.3.6. Динамика общепопуляционных характеристик 3.2.4. Изменчивость нуклеотидной последовательности

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Границы ареала и особенности распространения Н. axyridis 4.2.1. Характер изменчивости и возможная 4.2.2. Характер полового диморфизма рисунка пронотума 4.3. Внутрипопуляционная изменчивость Н. axyridis 4.3.1. Долговременная (многолетняя) динамика 4.4. Макрогеографическая изменчивость и 4.4.1. Географическая изменчивость морфологических признаков НО 4.4.2. Изменчивость молекулярно-генетического маркера 4.4.3. Внутривидовая структура//, axyridis и возможные

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Проблема образования видов и подвидов по-прежнему остается одной из наиболее актуальных в современной биологии. Ключом к пониманию за­ кономерностей и механизмов микроэволюции является изучение пространст­ венной и временной динамики генофондов, о которой мы можем судить, прежде всего, по внутри- и межпопуляционной изменчивости полиморфных признаков. Таким образом, проблема соотношения полиморфизма и процес­ сов микроэволюции является одной из важнейших, изучаемых в рамках эво­ люционной теории. Большое значение исследований полиморфизма для раз­ вития теории эволюции подчеркивали большинство эволюционистов. Так, Н.В. Глотов (1981) писал: «Изучение внутрипопуляционного и внутривидо­ вого полиморфизма позволяет получать наиболее полные представления о механизмах действия отбора и структуре природных популяций». Один из основателей синтетической теории эволюции (СТЭ) Э. Майр (1974) писал:

«...Изучение полиморфизма дает возможность подойти к пониманию гене­ тики популяций..., значительно приблизило нас к пониманию соотношения между геном и признаком, между генотипом и фенотипом...». Кроме того, изучение современной картины внутрипопуляционной и географической из­ менчивости полиморфных признаков в природных популяциях широкоареальных видов дает возможность делать выводы об их эволюционной исто­ рии. Одними из излюбленных объектов популяционно-генетических иссле­ дований давно стали разные виды божьих коровок с присущей им широкой изменчивостью рисунка элитр, генетическая детерминация которого у неко­ торых видов хорошо изучена.

Объектом наших исследований стал широкоареальный вид кокцинеллид Harmonia axyridis Pallas (1773) (Coleoptera, Coccinellidae), у которого ра­ нее было изучено наследование не только рисунка элитр, но и еще одного морфологического признака — наличия элитрального гребня, а также описана изменчивость еще одного морфологического признака - рисунка переднеспинки (Dobrzansky, 1924). Возможность исследовать внутри- и межпопуляционную динамику вида по комплексу полиморфных признаков позволяет делать более надежные выводы о характере и механизмах микроэволюцион­ ных процессов. Интерес мирового научного сообщества к этому виду в по­ следнее время особенно вырос в связи с его инвазией и необычайно быстрым распространением, начиная с конца прошлого века, в Северной Америке и в Европе. Большое количество исследований инвазивных популяций Н. axyridis, проведенных к настоящему времени, связаны с изучением осо­ бенностей ее экологии и влияния на природные комплексы в местах инвазии, но практически не затрагивают популяционно-генетические и эволюционные аспекты. Хотя очевидно, что для понимания факторов, обеспечивших бы­ строе расселение в разных экологических условиях этого азиатского вида, выяснения источников инвазии, а также для решения многих других микро­ эволюционных проблем, необходимы исследования популяционногенетических особенностей как интродуцированных, так и нативных (азиат­ ских) популяций этого вида. Однако, со времен Ф.Г. Добржанского, около лет назад показавшего наличие у этого вида ярко выраженной географиче­ ской изменчивости по рисунку элитр, подробное изучение полиморфизма Н. axyridis проводилось только на ограниченных участках видового ареала, что не позволяет делать обоснованных выводов ни о характере и механизмах поддержания полиморфизма отдельных признаков, ни о современной внут­ ривидовой структуре этого вида, ни о возможной эволюционной истории ее образования. Выяснение этого круга вопросов и стало предметом нашего ис­ следования.

Цель работы - на основе анализа внутрипопуляционной и географиче­ ской изменчивости комплекса полиморфных морфологических признаков и полиморфизма участка гена COI мтДНК уточнить степень внутривидовой дифференциации Н. axyridis и восстановить вероятную историю ее формиро­ вания.

Для достижения цели исследования было необходимо решить следую­ щие конкретные задачи:

- составить кадастровый список находок Н. axyridis и построить карту ареала вида;

- изучить внутривидовую изменчивость рисунка пронотума, выделить дискретные варианты признака и исследовать сопряженность изменчивости рисунка пронотума с рисунком элитр и с полом;

- исследовать внутрипопуляционную и географическую изменчивость трех морфологических признаков: рисунка элитр, рисунка пронотума, нали­ чия элитрального гребня, и сделать выводы о характере их полиморфизма;

- проанализировать полиморфизм молекулярно-генетического маркера (участка гена митохондриальной ДНК, кодирующего малую субъединицу цитохромоксидазы I (COI мтДНК) в некоторых популяциях из разных участ­ ков ареала;

- сопоставить между собой географическую изменчивость всех призна­ ков и сделать выводы о внутривидовой структуре Н. axyridis и возможной эволюционной истории ее формирования.

Научная новизна. В данной работе впервые у кокцинеллид для анали­ за внутривидовой изменчивости используется комплекс трех полиморфных признаков. Генетическая детерминация двух из них - рисунка элитр и нали­ чия элитрального гребня — хорошо известна. Третий признак - рисунок про­ нотума - с неизвестной генетической детерминацией нами используется впервые. Также впервые в качестве общепопуляционной характеристики применяется коэффициент сопряженности V (Крамера) рисунка пронотума и рисунка элитр. Подробный анализ изменчивости рисунка пронотума показал наличие полового диморфизма. До сих пор у кокцинеллид половой димор­ физм рисунка покровов никем не описывался. Исследование полиморфизма митохондриального гена COI у Н. axyridis также предпринято нами впервые.

Применение для анализа внутривидовой изменчивости Н. axyridis комплекса признаков, в том числе не использовавшихся ранее, позволило доказать подвидовой уровень различий между восточными и западными группами попу­ ляций и показать, что зоны клинальной изменчивости морфологических при­ знаков - результат их вторичной гибридизации.

Теоретическая и практическая значимость. Полученные результаты приближают нас к пониманию проблемы соотношения полиморфизма и про­ цессов микроэволюции - одной из центральных в эволюционной биологии.

Комплекс полиморфных морфологических признаков и молекулярногенетического маркера, может с успехом применяться для хронологического и географического мониторинга как исходных (нативных), так и интродуцированных популяций Н. axyridis. Основные результаты работы и их иллюст­ рации могут быть использованы в курсах лекций по генетике популяций и теории эволюции и при подготовке учебной литературы.

1.1. Биологические особенности Harmonia axyridis Pall, как объекта популяционно-генетических исследований 1.1.1. Систематическое положение и распространение Божья коровка Harmonia axyridis (Pallas, 1773) относится к роду Har­ monia (Mulsant, 1850), трибе Coccinellini, подсемейству Coccinelinae, семей­ ству Coccinellidae, отряду Coleoptera (Кузнецов, 1993).

Н. axyridis - азиатский широкоареальный вид, имеющий на большей части ареала высокую численность. В нашей стране встречается в Западной и Восточной Сибири, Приамурье, Хабаровском крае, Приморье, на Сахалине и Южных Курильских островах. Этот вид также широко распространен в Се­ веро-Восточном и Центральном Китае, Японии, Корее, встречается в Монго­ лии и на о-ве Тайвань (Кузнецов, 1975а, 1981, 2006; Кузнецов, Семьянов, 1983; Кузнецов, Прощалыкин, 2006, и др.). Кроме того, Ф.Г. Добржанский (1926) указывал на наличие Н axyridis в Якутии, однако более поздними ис­ следованиями (Аверенский, Кузнецов, 1978) этот факт подтвержден не был.

Г.И. Савойская (1972, 1983) утверждает, что южная граница ареала этого ви­ да захватывает север лесостепной и частично степной зон Казахстана и отме­ чает, что: «Вероятно, по интразональным биотопам он (этот вид) проникает далеко на юг, так как был обнаружен в Центральном Казахстане в тугаях, тя­ нущихся узкой лентой вдоль р. Аягуз и окруженных пустынями...».

Описанная область распространения Н. axyridis представляет собой лишь нативную (исходную) часть современного ареала этого вида. К настоя­ щему времени, начиная с 1988 г., когда в районе портовых складов в Новом Орлеане в США была обнаружена первая перезимовавшая популяция Н. axy­ ridis (Chapin, Brou, 1991), этот вид стремительно распространяется по северо­ американскому континенту. Зимующие популяции обнаруживаются на зна­ чительной территории США и Канады (Koch, 2003). В конце 1990-х гг.

Н axyridis появилась и в Южной Америке (Almeyda, Silva, 2002). Происхождение ее здесь пока не известно. Несмотря на многочисленные попытки ис­ кусственной интродукции этого вида в целях биологического контроля вре­ дителей сельского хозяйства, предпринимаемые в США с 1916 г. (Koch, 2003), зимующие популяции до 1988 г. не обнаруживались. В связи с этим было высказано мнение о случайном характере интродукции Н. axyridis в США в результате ее завоза вместе с товарами из Китая (Day et al., 1994). Это предположение частично подтверждается данными по белковому полимор­ физму в популяциях 8 разных штатов США, которые позволяют предпола­ гать единое происхождение американских популяций (Krafsur et al., 1997).

Здесь надо отметить, что подавляющее большинство особей этого вида в американских популяциях имеют элитры фенотипа succinea (Koch, 2003). В последнее десятилетие Н. axyridis стала распространяться и в Западной Ев­ ропе (Roy et. al., 2006). С 2002 г. и до настоящего времени этот вид регистри­ руется в природе уже в 13 европейских странах, как в тех, где Н. axyridis рек­ ламировалась и выпускалась различными компаниями биоконтроля, так и в тех, где искусственных выпусков в природу не производилось (Brown, Adriaens et al., 2008). Очевидно, что инвазивный ареал вида в Европе продолжает расширяться (Roy, Wajnberg, 2008). Математическое моделирование потен­ циального географического распространения Н. axyridis (Poutsma et al., 2008), основанное на ее экологических особенностях и современных темпах рас­ пространения, позволяет предполагать возможность дальнейшего сущест­ венного расширения инвазивного ареала этого вида как в северном, так и в южном полушариях. В то же время, попытки интродукции Н. axyridis в целях борьбы с вредителями в разных регионах бывшего СССР (Ульянова, 1956;

Воронин, 1968, 1971; Здерчук, Коваль, 1971; Савойская, 1971) не привели к ее акклиматизации (инвазии). В заключение этого раздела надо отметить, что хотя в европейских популяциях основную массу Н. axyridis составляют жуки фенотипа succinea, в отличие от Америки здесь с достаточно существенной частотой, варьирующей между разными популяциями, обнаруживаются и формы conspicua и spectabilis (Brown, Adriaens et al., 2008).

1.1.2. Некоторые особенности экологии вида (места обитания, питание, размножение и жизненный цикл) Н. axyridis обитает и развивается на древесно-кустарниковой расти­ тельности пихтово-еловых, лиственных, сосновых, пойменных смешанных лесов, реже на травянистой растительности лугов и полян и в лесостепных ландшафтах. В агроценозах обитает на фруктовых и ягодных деревьях и кус­ тарниках, на бобовых и, реже, злаковых культурах и травянистых сорняках; в городах встречается в садах и парках на большинстве древеснокустарниковых пород (Кузнецов, 19756; Brown, Roy et al., 2008 и др.). Как и другие крупные хищные кокцинеллиды Н. axyridis ведет активный образ жизни и обладает большим радиусом индивидуальной активности, совершая дальние перелеты в поисках пищи или мест зимовки (Hodek et al., 1993).

Н. axyridis является одним из самых прожорливых полифагов тлей, что и определило первоначальный интерес к этому виду как к агенту биоконтро­ ля. Имаго и личинки помимо большого числа различных видов тли могут ис­ пользовать в пищу кокцид, листоблошек и других сосущих насекомых, пара­ зитирующих на растениях (Воронин, 1966; Кузнецов, 19756, 1993; Hodek, 1996 и др.). Взрослые жуки съедают от 15 до 65 штук тлей в сутки, а личинки за все время развития - по данным разных авторов примерно от 100 до 700штук в зависимости от размеров добычи (Ульянова, 1952; Воронин, 1966;

Hukusima, Kamei, 1970; Савойская, 1971).

При низкой плотности обычного корма или его отсутствии, жуки и ли­ чинки Н. axyridis могут атаковать личинок других насекомых, в том числе других видов кокцинеллид, и уничтожать их кладки (Koch, 2003). Кроме то­ го, для этого вида характерен каннибализм, как родственный (среди потомст­ ва одной самки), так и не родственный. Его особенности и интенсивность изучались многими авторами. Основные выводы этих исследований заклю­ чаются в том, что интенсивность родственного каннибализма личинок на яй­ цах не зависит от плотности тли (в отличие от не родственного каннибализ­ ма), а варьирует в разных семейных линиях (Osawa, 1989, 1993). Неродственный каннибализм на личинках возрастает при уменьшении плотности тли (Hironori, Katsuhiro, 1997), а также при увеличении плотности личинок своего вида (Michaud, 2003). При этом Н. axyridis демонстрирует семейное распо­ знавание и менее охотно поедает родственников, чем не родственников. Кан­ нибализм при низкой плотности корма является адаптивно выгодным не только для самого каннибала, но и для его матери (Osawa, 1992).

Жизненный цикл Н. axyridis, как и у других Coccinellidae проходит че­ рез стадии яйца, личинок 4-х возрастов, куколки и имаго. Сроки развития значительно колеблются в зависимости от внешних условий, особенно тем­ пературы, и составляют от 21 до 53 дней по данным Л.С. Ульяновой (1956), и от 18 дней (при температуре 26°С) по данным американских ученых (LaMana, Miller, 1998).

Как и все божьи коровки Н. axyridis переживает зиму в состоянии имагинальной диапаузы, собираясь большими скоплениями в щелях на южных склонах гор и сопок, а также в домах - на большей части ареала, как нативного, так и инвазивного (Hodek, 1973; Koch, 2003 и др.). Однако, в Амурской области Н. axyridis, как и другие коровки, зимует рассеяно в подстилке (Куз­ нецов, 1979). Места зимовок (по крайней мере там, где образуются скопле­ ния) являются достаточно постоянными (Добржанский, 1922; Коломиец, Кузнецов, 1975).

Лет коровок на зимовку начинается при понижении средней темпера­ туры воздуха до 12-14°С, и его интенсивность особенно возрастает после первых заморозков. Интенсивность лета также сильно зависит от освещения — возрастает в солнечные, ясные дни и в наиболее светлое время суток (Во­ ронин, 1966). Подготовка к диапаузе начинается при сокращении светового дня. К.Е. Воронин (1965) утверждает, что в диапаузу уходят жуки, не при­ ступавшие к размножению. Однако Г.И. Савойская (1971) оспаривает эти данные. Среди зимующих жуков в Северной Каролине (США) также было обнаружено существенное количество оплодотворенных самок, хотя большая их часть зимует неоплодотворенными (Nalera, Weir, 2007). Лет на зимовку продолжается около месяца, и его начало варьируют в зависимости от клима­ тических условий. Так, в дальневосточном регионе он начинается в конце сентября - первой половине октября, в Амурской области — с начала сентяб­ ря (Кузнецов, 1979), а на юге США - в конце октября (LaMana, Miller, 1996).

Для большинства жуков при подготовке к зимней диапаузе характерна ре­ дукция гамет, развитие мощного жирового тела, снижение количества сво­ бодной воды, повышение содержания жира и гликогена, снижение уровня обмена веществ и частоты дыхания (Воронин, 1965; Sakurai et al., 1992). В наиболее жарких и засушливых частях ареала Н. axyridis при отсутствии корма впадает в летнюю спячку, которая по физиологическим характеристи­ кам резко отличается от зимней и не сопровождается образованием жирового тела и редукцией половой активности (Sakurai et al., 1992).

По наблюдениям К.Е. Воронина (1965, 1966) вылет жуков с зимовки происходит при повышении температуры в конце февраля - начале марта. Он отмечает, что в это время много жуков погибает от истощения при низкой влажности и отсутствии корма. В.Н. Кузнецов (1979, 1983) и Г.И. Савойская (1983) называют более поздние сроки (конец марта — начало мая). До появле­ ния тли коровки питаются нектаром и пыльцой цветущих растений. Спари­ вание происходит сразу после повышения температуры и выхода из диапаузы, еще до разлета с мест зимовки (LaMana, Miller, 1996; Hodek, Ceryngier, 2000), однако к яйцекладке самки приступают значительно позднее и только при наличии достаточного количества корма. Н. axyridis, как и все кокцинеллиды, откладывает яйца группами. Средний размер каждой кладки - 20- яиц. В течение жизни самка может отложить свыше 1600 яиц (Stathas et al., 2001), Хукусима и Камеи (Hukusima, Kamei, 1970) называют цифру 3, яиц.

В активный сезон у Н. axyridis развивается несколько поколений, коли­ чество которых существенно варьирует по ареалу — от 1 до 4-х поколений в зависимости от продолжительности теплого периода. На большей части ареала развивается 2 поколения (Komai, 1956; Воронин, 1965; Komai, Chino, 1969; Кузнецов, 1979; Савойская, 1983; LaMana, Miller, 1996; Osawa, 2000).

Данные по продолжительности жизни Н. axyridis довольно противоре­ чивы. Так, К.Е. Воронин (1965) отмечает, что этот вид зимует только один раз в жизни. Ряд авторов утверждает, что продолжительность жизни имаго колеблется от 30 до 90 дней (Не et al., 1994; Soares et al., 2001). В то же время Г.И. Савойская (1971) приводит убедительные данные о трехкратной зимовке многих жуков в условиях Заилийского Алатау, отмечая при этом, что трех­ летние особи откладывают яйца на третьем году своей жизни, демонстрируя стандартную для этого вида по размерам яйцекладку в течение двух месяцев.

В заключение этой части обзора литературы необходимо подчеркнуть, что экологические особенности Н. axyridis безусловно говорят о большой экологической пластичности этого вида, позволившей ему занять огромный ареал, с резко варьирующими условиями.

1.2. Изучение внутривидового полиморфизма у Harmonia axyridis и у других видов божьих коровок (Coleoptera, Coccinellidae) Изучение полиморфизма природных популяций проводится в различ­ ных направлениях: выявление полиморфных признаков и выяснение их гене­ тической детерминации; изучение географической изменчивости популяций по полиморфному признаку (или комплексу признаков); анализ долговре­ менной изменчивости (или стабильности) популяций; исследования внутрипопуляционной сезонной динамики; изучение внутрипопуляционной микро­ географической (или экологической) изменчивости; анализ физиологических, поведенческих и других различий между морфами. Понятно, что чем всесто­ роннее изучен вид, тем ближе мы можем подойти к реконструкции его эво­ люционной истории, а также к пониманию биологической роли полимор­ физма и механизмов его поддержания.

1.2.1. Изменчивость рисунка элитр и ее генетическая детерминация Первые описания изменчивости окраски и рисунка надкрылий (элитр) у кокцинеллид появились уже в начале нашего века (Якобсон, 1900; Johnson, 1910). С тех пор божьи коровки (Coleoptera, Coccinellidae) стали одним из популярных объектов популяционно-генетических исследований. К настоя­ щему времени широкая изменчивость окраски и рисунка элитр была обнару­ жена и изучалась разными исследователями у многих видов коровок. В том числе в классических работах Ф.Г. Добжанского (Dobrzansky 1924;

Dobshansky, 1933) описана изменчивость Coccinella nivicilla, Ana/is ocellata, Coccinella novemnotata, Hippodamia 13-punctata, Adonia variegata, Harmonia axyridis, Coccinella trifasciata, Coccinella transversoguttata. Вариации рисунка надкрылий у Adalia frigida, A.bothnica, Subcoccinella 24-pnnctata, Coccinella 10-punctata, Coccinella 14-pustidata, Propyerea 14-punctata, Epilachna chrisomelina изучались сотрудниками H.B. Тимофеева-Ресовского и им са­ мим (цит. по Komai, 1956), а у Adalia bipunctata и Adalia 10-pimctata Я.Я. Лусом (Лусисом) (Лус, 1928). О полиморфизме Propilaea 14-punctata со­ общает М.И. Нефедов (1961). Дискретная изменчивость рисунка надкрылий характерна для азиатского вида Ailocaria hexaspilota (Кузнецов, 1977). Зако­ номерности развития аберративной изменчивости рисунка надкрылий у мно­ гих видов Coccinellidae на массовом материале бьши проанализированы Н.Н. Филипповым (1961). Он же отмечает, что внутривидовые различия ри­ сунка элитр у этого семейства могут быть настолько велики, что в система­ тике были нередки случаи, когда один и тот же вид описывался неоднократ­ но под разными наименованиями по разным аберрациям (дискретным вари­ антам рисунка) как, например, Subcoccinella 24-punctata L. Различия в типах рисунков элитр у Coelophora inaequalis также привели к тому, что до прове­ дения подробных лабораторных скрещиваний вместо одного этого вида вы­ деляли шесть (Houston, 1979).

Развитие рисунка надкрылий у разных видов и родов кокцинеллид подчиняется общим закономерностям, среди которых стоит отметить:

1. У большинства видов можно выделить дискретные типы рисунков при практически полном отсутствии между ними переходных форм.

2. Дискретные типы рисунков элитр и пронотума у близких видов образуют параллельные серии, что соответствует закону о гомологических ря­ дах изменчивости, сформулированному Н.И. Вавиловым (1935).

3. В пределах этих типов может наблюдаться непрерывная изменчи­ вость, затрагивающая величину отдельных элементов рисунка. Направления этой изменчивости видо- и родо-специфичны, но в то же время подчиняются общим закономерностям (Филиппов, 1961).

Хотя менделевский характер наследования рисунка и окраски элитр у некоторых видов божьих коровок предполагался уже в начале века (Jonson, 1910), экспериментальные исследования генетической детерминации этого признака к настоящему времени проведены у небольшого числа видов, из ко­ торых наиболее подробно изучены A. bipimctata и Н. axyridis.

У A. bipimctata тщательный генетический анализ проводился на мате­ риале из европейской части России и Средней Азии Я.Я. Лусом (Лусисом) (1928; 1932), который показал, что рисунок элитр у этого вида контролирует­ ся серией множественных аллелей одного локуса. Несколько аллелей опре­ деляют меланистическую окраску (с темным основным фоном) с довольно крупными светлыми пятнами на нем (от одного до трех на каждом надкры­ лий); остальные аллели в гомозиготном состоянии определяют рисунок с черными пятнами разного размера, количества и формы на светлом фоне.

Наиболее обычные и хорошо изученные аллели по порядку доминирования располагаются в серию, в которой аллели, детерминирующие более меланизированные фенотипы, в целом последовательно доминируют над аллелями, определяющими развитие менее меланизированных фенотипов. При этом в большинстве компаундов наблюдается полное доминирование, однако в комбинациях аллелей, близко стоящих в ряду доминирования, проявляются промежуточные или вовсе отличающиеся от родительских гомозигот фено­ типы. Доминирование в этой серии не всегда является полным, а скорее со­ ответствует принципу аддитивности (Лус, 1932). Генетический анализ этого признака в конце прошлого века проводился также в Кембридже группой М. Межереса, работами которой было установлено, что четыре меланистических фенотипа, контролируемых по Я.Я. Лусу разными доминантными алле­ лями, в английских популяциях определяются одним аллелем главного локуса, а различия между ними зависят от генов-модификаторов. Кроме того, ими были обнаружены формы, названные Cambridge melanic, похожие на два из меланистических фенотипов, описанных Я.Я. Лусом, но с более светлыми пятнами, оказавшиеся рецессивными в скрещивании с немеланистической формой typica (первый немеланистический аллель в серии по порядку доми­ нирования) (Majerus, 1994). Также И.А. Захаровым (1996) был обнаружен и экспериментально изучался еще один аллель - tigrina, определяющий немеланистическую окраску, который является рецессивным по отношению к меланистам и доминантным по отношению к typica, и показывает сильно варь­ ирующую экспрессивность.

Подробно и на большом материале изучалось наследование окраски элитр и у Н. axyridis. По результатам первых лабораторных скрещиваний Тан и Ли (Tan, Li, 1934) предположили, что рисунок элитр контролируется тремя разными генами, доминантные аллели которых определяют разные меланистические фенотипы, а немеланистический фенотип - succinea - является ре­ цессивной гомозиготой по всем трем аллелям. Однако их последующие рабо­ ты (Tan, 1946; Komai, 1956), так же как экспериментальные исследования Хосино (Hosino, 1936, 1940), позволили установить, что данный признак, как и у A. bipunctata, наследуется моногенно и контролируется серией множест­ венных аллелей. Причем основу генофонда вида по этому признаку состав­ ляют 4 аллеля, располагающиеся по порядку доминирования следующим об­ разом: conspicua(C) > spectabilis(Sp) > axyridis(Ax) > succinea(s). Жуки, гомо­ зиготные по самому рецессивному аллелю серии (succinea/ succinea) имеют на каждом надкрылье от 0 до 10 черных точек варьирующего размера на желтовато-оранжевом или красноватом фоне. Остальные аллели определяют развитие меланистической окраски, характеризующейся обязательным чер­ ным фоном, на котором на каждом надкрылий расположены крупные свет­ лые зоны или пятна, размер и локализация которых различаются у разных аллельных комбинаций. Все гомо- и гетерозиготы по аллелю conspicua имеют по одному крупному светлому пятну; гомо- и гетерозиготы spectabilis (кроме гетерозигот с conspicua) имеют по два крупных светлых пятна; жуки, гомози­ готные по аллелю axyridis, и гетерозиготы axyridis/succinea имеют по шесть светлых пятен средней величины. Кроме того, этими же исследователями было обнаружено около 10 редких аллелей, определяющих меланистическую окраску и составляющих в сумме не более 1% от генофонда вида по этому признаку. Фенотипы гомозигот по этим аллелям представляют собой более или менее значительные видоизменения рисунков conspicua и spectabilis.

Несколько позже при скрещивании особей фенотипа succinea, отлов­ ленных в разных частях ареала, Хосино выделил 10 субтипов, различающие­ ся между собой поведением отдельных пятен при изменениях температуры на преимагинальных стадиях развития (цит. по Komai, 1956). Он же выделил среди жуков с фенотипом axyridis 6 подтипов, различающихся по форме пя­ тен и направлению их слияния. Причем все эти минорные различия при скрещиваниях наследовались как проявления разных аллелей одного гена, а некоторые из этих "субаллелей" оказались летальными в гомозиготном со­ стоянии (Komai, 1956). Исследования развития рисунка у жуков фенотипа succinea, проведенные позднее (Sakai et al., 1974), также показали, что вели­ чина и интенсивность черных пятен у коровок этого фенотипа зависит как от действия внешних факторов, при которых развиваются преимагинальные стадии, так и от внутренних, что позволило авторам предположить, вслед за Комаи (1956), наличие генов-модификаторов.

Кроме того, Таном (1946) среди аллелей conspicua, spectabilis, aulica и transversifascia было выделено по несколько субтипов, которые вели себя в скрещиваниях как отдельные аллели той же серии. Проанализировав феноти­ пы гетерозигот по аллелям, исследованным Хосино и им самим, Тан (Tan, 1946) пришел к выводу, что доминирование в этом локусе подчиняется принципу "мозаичного доминирования", при котором светлые зоны на элитрах гетерозигот формируются только там, где они являются светлыми у обоих гомозиготных родителей одновременно. "Мозаичное доминирование", по сути, является случаем кодоминирования, поскольку у гетерозиготы каждый аллель компаунда определяет меланизацию характерной для него зоны. Схе­ мы возможных фенотипов гомо- и гетерозигот приведены на рис. (Tan, 1946 )• Рис.1. Теоретические типы рисунков для различных комбинаций 15 известных ал­ лелей у Н. axyridis. Символ Т обозначает, что данный фенотип обнаружен Таном, Н - об­ наружен Хосино, ? - не обнаружен до настоящего времени (из Тап, 1946).

Позднее было обнаружено еще 2 новых аллеля (Тап, Ни, 1980), пока­ завших в компаундах с уже известными аллелями этой серии equicolor и transversifascia, что принцип "мозаичного доминирования" выполняется не всегда, а в ряде компаундов наблюдается полное доминирование.

Н. axyridis, а также фенотипическая изменчивость рецессивных гомозигот (жуки фенотипа succinea) позволили предположить как наличие геновмодификаторов (Komai, 1956; Sakai et al., 1974), так и то, что данный локус является сложным или составным, а его аллели являются псевдо аллелями (Komai, Chino, 1969).

Кроме A. bipunctata и Н axyridis объектами изучения наследования ри­ сунка элитр стали еще несколько видов божьих коровок. Результаты их экс­ периментальных исследований немногочисленны и фрагментарны, однако на некоторых из них имеет смысл коротко остановиться. Достаточно активно проводились экспериментальные скрещивания у Coelophora inaequalis (Timberlake,1922; Hales, 1976; Houston, 1979; Houston, Hales, 1980), позволив­ шие обнаружить не менее четырех аллелей одного гена, разные комбинации которых определяют дискретные типы рисунков элитр, встречающиеся у это­ го вида в Австралии и на Гавайских островах. Доминантные отношения в этой серии аналогичны тем, что наблюдаются у Н. axyridis и A. bipunctata, но с противоположным направлением доминирования, т.е. самым рецессивным в серии оказывается наиболее меланизированный фенотип (Houston, 1979).

Серии аллелей одного гена, контролирующего развитие рисунка элитр, обнаружены также у Adalia 10-punctata и Propyrea japonica (Komai, 1956).

Изучение наследования рисунка элитр проводилось, кроме того, у не­ скольких видов рода Hippodamia spp. (Komai, 1956) и у Е. chrisomelina (Komai, 1956; Тимофеев-Ресовский и др., 1965). У видов Hippodamia spp. об­ наружено наличие главного диаллельного гена. Аллель, определяющий от­ сутствие пятен, доминирует над аллелем пятнистой окраски. Фенотипический эффект этого гена зависит от 3-х или 4-х генов-модификаторов. У Е.

chrisomelina рисунок элитр, по-видимому, контролируется несколькими ге­ нами, определяющими размер, очертания и положение на элитрах 6 пар то­ чек. Какого-либо главного гена, играющего ведущую роль в формировании общего типа рисунка, обнаружено не было.

Таким образом, результаты экспериментального анализа наследования окраски элитр у ряда видов Coccinellidae позволяют назвать некоторые общие закономерности генетической детерминации этого признака:

1. Общий тип рисунка элитр (у подавляющего большинства изучав­ шихся видов) наследуется моногенно и контролируется сериями множест­ венных аллелей. В то же время, есть основания считать, что этот ген является сложным.

2. Развитие количественных особенностей рисунка (размера пятен, ин­ тенсивности проявления окраски), по-видимому, зависит от геновмодификаторов и внешних условий развития преимагинальных стадий.

3. Некоторые особенности рисунка у части видов (например Hippodamia spp, Е. chrisomelina), возможно, контролируются полигенными системами.

4. Доминирование в мультиаллельных сериях главного гена в некото­ рых компаундах может быть полным, но в большинстве аллельных пар явля­ ется аддитивным (Лус, 1932) или мозаичным (Tan, 1946), что по существу представляет собой своеобразный случай кодоминирования.

Таким образом, характер изменчивости рисунка элитр у кокцинеллид и ее генетическая детерминация позволяют говорить о том, что мы имеем дело с истинно генетическим полиморфизмом, сущность которого по определе­ нию Е. Форда (создателя концепции генетического полиморфизма) заключа­ ется в наличии в одной и той же популяции "двух или более хорошо обозна­ ченных форм, способных появляться в потомстве одной самки и встречаю­ щихся с частотой, достаточно высокой для того, чтобы исключить поддержа­ ние самой редкой из них повторяющимися мутациями" (Ford, 1940). Позднее разными авторами давались несколько иные определения генетического по­ лиморфизма. Наиболее удачное и емкое из них - "наличие в популяции двух или более аллелей одного локуса, встречающихся с ощутимой частотой" (цит. по Алтухов, 1989).

1.2.2. Географическая изменчивость рисунка надкрылий у Coccinellidae Исследования географической изменчивости полиморфных признаков позволяют с одной стороны подойти к пониманию биологической роли подиморфизма, а с другой - решать вопросы внутривидовой (популяционной и надпопуляционной) структуры многих современных видов и восстанавливать вероятную эволюционную историю ее формирования.

Первые широкие исследования географической изменчивости рисунка элитр у широкоареальных видов кокцинеллид были предприняты Ф.Г. Добржанским (1924) (Dobrzansky, 1924; Dobzhansky; 1933). Проанализировав из­ менчивость более полутора десятков видов из четырех различных родов Coccinella, Semiadalia, Adonia и Hippodamia, он пришел к выводу о сущест­ вовании общих для всех кокцинеллид двух центров "светлой окраски" - в Средней Азии и на юге США, и одного центра "темной окраски", равноуда­ ленного от первых двух - в Восточной Сибири. При этом Ф.Г. Добржанский подчеркивает, что в целом усиление меланизации у кокцинеллид происходит при повышении влажности и понижении температуры, что согласуется с правилом Глогера, и влажность при этом имеет более существенное значе­ ние, чем температура. В то же время, эта закономерность не абсолютна. У ряда видов более меланистическая окраска наблюдается в засушливых частях внутривидовых ареалов, а более светлая - во влажных.

Дальнейшее изучение закономерностей географической изменчивости у кокцинеллид было продолжено на примере отдельных широкоареальных видов. Так, работами Тимофеева-Ресовского с сотрудниками (TimofeeffRessovsky, 1932; Тимофеев-Ресовский и др., 1965) было показано, что у Е. chrisomelina изменчивость рисунка элитр в сочетании с некоторыми дру­ гими более или менее значительными морфологическими признаками носит подвидовой характер, и его макрогеографическая изменчивость определяется в первую очередь распространением соответствующих подвидов.

Интересные данные получены также при исследовании географической изменчивости суматранских (Индонезия) популяций Epilachna vigintioctopimctata (Abbas et al., 1988). Авторы выделили 4 группы популя­ ций, различающиеся между собой по встречаемости форм с разным типом рисунка элитр. Места обитания каждой из этих групп различаются по высоте над уровнем моря. Причем, коровки, обитающие в прибрежной зоне (1 груп­ па), характеризуется меньшими размерами и меньшей общей меланизацией элитр. Напротив, популяции наиболее высокогорных районов состоят из бо­ лее крупных и в целом наиболее меланизированных жуков.

Наиболее полно на сегодняшний день географическая изменчивость изучалась у A. bipunctata. Подробные исследования по всему ареалу геогра­ фической изменчивости, проведенные Я.Я. Лусисом (1961, 1973), позволили ему выделить четыре основных географических подвида. В пределах каждого из них каких-либо направленных изменений в частотах фенотипов не обна­ руживается, в то время как все подвиды отчетливо различаются между собой, прежде всего за счет немеланистических классов. Причем в состав генофонда азиатских подвидов входят аллели, обуславливающие особый "пятнистый" тип рисунка, практически не встречающийся в Европе. Последующие работы разных авторов в принципе подтверждают выводы Я.Я. Лусиса (Захаров, 1997). При этом следует подчеркнуть, что оценка закономерностей географи­ ческой изменчивости у A. bipunctata, ее причин и биологической роли исто­ рически в большей степени проводилась на основе изучения динамики доли меланистических форм в различных популяциях этого вида, для большинства которых характерна невысокая частота меланистов. Для объяснения повы­ шенной меланизации, обнаруженной в части популяций этого вида, было вы­ двинуто две концепции: индустриального и неиндустриального меланизма.

В пользу первой из них говорят факты значительного повышения час­ тоты черных форм в ряде промышленных центров Великобритании (Hawkes, 1927; Creed, 1966, 1971а, b, 1974, 1975), Европы (Захаров, 1990) и Средней Азии (Лусис, 1961). Данные о многолетней динамике меланизма в ряде про­ мышленных центров таюке свидетельствуют о высокой корреляции между частотой меланистов и уровнем загрязнения атмосферы (Creed 1971b, 1974;

Лусис, 1973; Захаров, Сергиевский, 1978; Majerus, Zakharov, 2000).

Кроме того, убедительным доказательством индустриального меланиз­ ма являются данные по микрогеографической динамике доли меланистов в популяциях отдельных промышленных центров, как было показано для Ле­ нинграда и Ленинградской области (Захаров, Сергиевский, 1980, 1983; Сер­ гиевский, Захаров, 1981, 1983).

Однако во многих крупных промышленных центрах Европы частота меланистов остается на низком уровне, а в ряде непромышленных, экологи­ чески чистых районов частота меланистов высока (Benham et al., 1974; Сер­ гиевский, 1985). В то же время было получено достаточно много данных о связи высокой частоты меланистов с климатическими и экологическими ус­ ловиями обитания соответствующих популяций. О выводах Ф.Г. Добржанского (Dobzhansky, 1933) о связи меланизма с влажностью уже говорилось.

Я.Я. Лусисом (1961) также отмечалось, что меланистические популяциии на­ ряду с промышленными центрами существуют в районах с мягким морским климатом (Средиземноморское побережье Европы, Прибалтика, Ленинград, побережье Крыма). Аналогичные данные приводятся и по Норвегии (Bengtson, Hagen, 1975, 1977). В то же время для Великобритании в целом корреляция меланизма с влажностью выражена существенно менее отчетли­ во, чем с температурой. Причем частота меланистов здесь тем выше, чем ни­ же температура (Lees et al., 1973), в то время как в Италии корреляция часто­ ты меланистов со среднегодовой температурой положительна (Scali, Creed, 1975). Исследования, проведенные в Нидерландах (Jong, Brakefield, 1998), также показали высокую корреляцию изменений частот меланистов в зави­ симости от весенних температур в местах сбора коровок. Причем, большая часть юго-восточных популяций показывала статистически значимое умень­ шение частот меланистов при более высоких весенних температурах, в то время как в некоторых западных популяциях эти частоты значимо повыси­ лись. В качестве еще одного природного фактора, вызывающего повышение частоты меланистов, Магглтон называл понижение уровня инсоляции мест­ ности, связанное как с повышенной облачностью в приморских районах Ве­ ликобритании, так и с задымленностью в индустриальных центрах (Muggleton et al., 1975; Muggleton, 1978). Однако исследования норвежских популяций подобных закономерностей не обнаружили (Bengtson, Hagen, 1977). Таким образом, данные литературы по меланизму A. bipunctata очень противоречивы, ни одна из рассмотренных концепций не является универ­ сальной, они скорее дополняют друг друга. Это позволило применить для разрешения обнаруженных противоречий представления о полифункцио­ нальности и пластичности полиморфизма (Сергиевский, Захаров, 1981; Сер­ гиевский, 1985). Под полифункциональностью подразумевается способность полиморфной системы одинаково реагировать на различные факторы среды, такие как загрязнение, инсоляция, температура, влажность и др. за счет плейотропного действия генов и их сцепления. Представление о пластично­ сти основано на концепции "жесткого и гибкого" полиморфизма, разрабо­ танной Ф.Г. Добржанским (Dobzhansky; 1962, 1971) для объяснения инверси­ онного полиморфизма у разных видов Drosophila. Суть этой концепции сво­ дится к тому, что конкретная полиморфная система может по-разному реаги­ ровать на одно и тоже воздействие в зависимости от различий генетического фона в разных популяциях вида. Действительно, у A. bipunctata и индустри­ альные и климатические центры меланизма коррелируют с географическими и экологическими границами обитания вида, для популяций которых очевид­ но и характерен "гибкий полиморфизм" (Захаров, 1990; Захаров, Блехман, 2001).

У Н. axyridis изучение географической изменчивости рисунка элитр было начато Ф.Г. Добржанским (Dobrzansky, 1924; Dobzhansky, 1933, 1937), который в целом верно выделил основные классы рисунка, хотя к тому вре­ мени генетика этого признака у Н. axyridis еще не была изучена, и он оши­ бочно разделил класс succinea на три: succinea, frigida и 19-signata. Описав на относительно ограниченном материале географическую изменчивость этого вида, он высказал предположение о делении ареала Н. axyridis на 3 географи­ ческие зоны:

1. западная - от Иртыша до западного Забайкалья и Монголии, в попу­ ляциях которой доминирует тип axyridis, встречаясь со 100% частотой в Томске, с частотой 99,95% - в Горном Алтае, 99,1% - в Енисейской губернии, 84,9% - в Иркутской губернии и около 50% - в Западном Забайкалье. Частота жуков с элитрами succinea (succinea+frigida+19-signata), соответственно, на западе этой зоны минимальна, в Иркутской губернии -15,1%, а в Западном Забайкалье (западнее 110° вост. долг.) достигает почти 50%. Другие типы ри­ сунков в выборках из этой зоны Ф.Г. Добржанским обнаружены не были.

2. восточная - Восточная Сибирь, Маньчжурия, Китай и Корея, попу­ ляции которой наиболее гетерогенны, тип axyridis везде встречается очень редко, a succinea преобладает, встречаясь в Восточном Забайкалье (восточнее - ПО град. вост. долг.) уже с 70% частотой, которая увеличивается по мере продвижения на восток, достигая 75,4% - в Хабаровске, и 85,6% - во Влади­ востоке. В Маньчжурии, Корее и Китае частота типа succinea несколько па­ дает в направлении с севера на юг, достигая в Центральном Китае 70,4%. Ти­ пы рисунка conspicua и spectabilis, появившись в Восточном Забайкалье с низкой частотой, в остальных участках этой зоны встречаются с суммарной частотой примерно 24% - в Хабаровске и 13% - во Владивостоке. В Мань­ чжурии, Корее и Китае суммарная частота этих типов несколько увеличива­ ется в направлении с севера на юг, что соответствует обратному направле­ нию изменчивости типа succinea.

3. Япония — где вновь с ощутимой частотой (4,5%) появляется тип axyridis, содержание succinea падает до 19,4%, spectabilis составляет 16,4%, а тип conspicua превалирует.

Ф.Г. Добржанский считал, что характер географической изменчивости рисунка элитр у Н. axyridis указывает на начальную стадию дифференциации вида из единой смешанной популяции на относительно мономорфные гео­ графические расы, и такая смешанная популяция находится в Китае и Вос­ точной Сибири, а в Западной Сибири эта дифференциация уже практически завершилась.

Впоследствии подробные исследования географической изменчивости Н. axyridis проводились только на территории Японии (Komai, et al., 1950;

Komai, 1956; Komai, Chino, 1969). Авторами было показано наличие клинальной географической изменчивости типов рисунка элитр (и соответст­ вующих им аллелей) succinea и conspicua в направлении с северо-запада на юго-восток. Доля типа succinea в популяциях о. Хоккайдо - 40-60%, в север­ ной части о. Хонсю - 30-40%, в центральной части о. Хонсю частота succinea уменьшается еще быстрее - от 20-30% в районе Нагойа — Джиху, до 15% - в Киото и Асака. На о. Сикоку частота этого типа снижается примерно до 10%, а на самом южном из четырех крупных островов - о. Кюсю - достигает всего 2-6%. Относительная частота типа conspicua показывает, соответственно, противоположный градиент - от 30-40% на Хоккайдо, до примерно 50% в се­ верной части о. Хонсю, 60-70% в районе Нагойа - Джиху и на о. Сикоку, достигая на о. Кюсю более 80%. Доли жуков с типами элитр spectabilis и axyridis на территории Японии не показали подобных закономерностей. Час­ тоты типа spectabilis колеблются в разных популяциях без каких-либо гео­ графических закономерностей от 7,3% в Токио, до более 25% на о. Хоккайдо и на юге о. Хонсю. На о. Сикоку частота этого типа зарегистрирована в рай­ оне 20%, а на о. Кюсю - свыше 10%. Частота типа axyridis на о. Хоккайдо ниже 1%, на о. Хонсю колеблется на уровне 3-6%, в отдельных популяциях повышаясь до 14,5% (г. Санаджи), на о. Сикоку она составляет 6-8%, а на о.

Кюсю вновь резко снижается до 2,2% (Komai, et al., 1950; Komai, 1956).

По территориям Китая и Кореи после Ф.Г.Добржанского были опубли­ кованы лишь отдельные данные, очень сходные с его результатами (Tan, 1949; Komai, Chino, 1969). К сказанному выше имеет смысл добавитьтолько, что по этим данным частота типа succinea на территории Китая меняется клинально от примерно 85% - на севере до 66,6% - в Сучоу (Сучьжоу) и 42,6-58,5% (апрельская и ноябрьская выборки) - в Ханьчоу (Ханьджоу), при повсеместно очень низкой частоте axyridis и в среднем невысоких частотах conspicua и spectabilis, которые увеличиваются клинально с севера на юг (т.е.

показывают такой же градиент как и succinea, но, соответственно, в обратном направлении). Анализируя общую картину географической изменчивости H. axyridis Т. Комаи и М. Чино (Komai, Chino, 1969) делают вывод о том, что фенотип succinea (и соответствующий аллель) лучше приспособлен к более сухому климату, а жизнеспособность меланистических фенотипов conspicua и spectabilis (которые проявляют как гомозиготы, так и большинство гетерозигот по соответствующим аллелям) выше в более влажном климате. Тип axyridis, показывающий малую и ненаправленную изменчивость на большей части ареала рассматривается этими авторами как изначально основной тип у этого вида, ставший минорным.

На российской части ареала к началу моей работы географическая из­ менчивость Н. axyridis повторно практически не изучалась. Н.Н. Воронцовым (1983) были опубликованы некоторые новые данные, принципиально не от­ личающиеся от данных Ф.Г. Добржанского, и которые он сам рассматривал лишь как предварительные. К настоящему времени опубликованы результа­ ты исследований фенотипического состава некоторых популяций Приморья (Богданов, Гагальчий, 1986; Холин, 1990). При этом данные по Владивосто­ ку, которые приводят эти авторы, не совпадают. Так, Л.В. Богданов и Н.Г. Гагаличий (1986) отмечают статистически значимые сдвиги в составе популяции по сравнению с данными Ф.Г. Добржанского, приводя значения для частоты succinea - 90-95% за период 1978-1981 гг, в то время как С.К. Хо­ лин (1990), обнаружив в 1983-1987 гг. 88-91% жуков с элитрами succinea в осенних выборках, отмечает стабильность популяции Владивостока по срав­ нению с двадцатыми годами прошлого века. Подробно и на массовом мате­ риале географическая изменчивость Н. axyridis изучена в популяциях Вос­ точного Забайкалья (Корсун, 2004). Этим автором приводятся данные по вы­ боркам из Бурятии (Агинский автономный округ) и Восточного Забайкалья (25 локалитетов). Для бурятской популяции характерна низкая (2,4%) частота фенотипа succinea и высокая (86,7%) - axyridis. Типы conspicua и spectabilis здесь составляют в сумме около 10% от общего объема выборки. Далее в Восточном Забайкалье частота succinea резко возрастает до 43,5% и далее в юго-восточном направлении меняется в целом клинально до юго-востока Читинской области, где этот тип встречается с частотой 88,4-92,1%. Частоты типа axyridis в целом измененяются аналогично, но, соответственно, в обрат­ ном направлении - от 86,7% в Бурятии до полного исчезновения на юговостоке Читинской области. Частоты conspicua и spectabilis меняются от пол­ ного отсутствия в некоторых выборках на северо-западе области, до более 12% в ее юго-восточной части, однако направления этих изменений в преде­ лах исследованной области от популяции к популяции различны. О.В. Корсун отмечает, что в целом клинальный характер изменчивости в исследован­ ном им районе нарушается фенотипической спецификой отдельных популя­ ций, которую сложно объяснить определенными физико-географическими или экологичискими особеннстями среды.

Таким образом, данные литературы по географической изменчивости Н. axyridis говорят о том, что в отличие от таких видов как A. bipimctata и Е.

chrisomelina, у Н. axyridis есть достаточно протяженные участки ареала, на которых частоты основных морф рисунка элитр меняются клинально (Япо­ ния, Восточное Забайкалье, Юго-восточный Китай), и участки с очень незна­ чительной и не имеющей определенного направления межпопуляционной изменчивостью (от западной границы ареала до оз. Байкал), и от юго-востока Читинской области до Приморья. Причем, в Китае и в Японии частота меланистических типов в популяциях растет с ростом температуры и влажности среды и, соответственно, клинальная изменчивость в этих частях ареала свя­ зывается большинством исследователей с климатическим градиентом.

1.2.3. Внутрипопуляционная динамика рисунка элитр у Coccinellidae Изучение только географической изменчивости полиморфных призна­ ков, являясь важнейшей составляющей разработки проблем микроэволюции, не позволяет однозначно ответить на вопросы о характере полиморфизма и механизмах его поддержания. Для выяснения этого круга вопросов необхо­ димо изучение, прежде всего, внутрипопуляционной динамики полиморф­ ных признаков.

Наличие направленной долговременной изменчивости популяций по полиморфным признакам является одним из наиболее ярких свидетельств динамики генофондов популяций во времени и, соответственно, происходя­ щих в них микроэволюционных процессов.

У кокцинеллид долговременная динамика популяций по рисунку над­ крылий достаточно планомерно изучалась лишь у A. bipunctata в ряде круп­ ных промышленных центров. Существенные изменения доли медалистов за период в несколько десятков лет были обнаружены в Бирмингеме (Creed 1971b), Ташкенте и Фрунзе (совр. Бишкек) (Лусис, 1973), а также в Ленин­ граде (Захаров, Сергиевский, 1978; Захаров, 2006). Динамика частот меланистических форм в этих популяциях однозначно связывается авторами с изме­ нениями уровня загрязнения атмосферы и эти данные рассматриваются как одно из наиболее убедительных доказательств гипотезы индустриального меланизма, как уже отмечалось ранее.

У Н. axyridis долговременная изменчивость изучалась на территории Японии в середине прошлого столетия. Т. Комаи с соавторами (Komai, et al., 1950) приводят сравнительные данные за период 15-30 лет по ряду городов Японии. Значимые и статистически достоверные однонаправленные измене­ ния относительных частот разных типов элитр были обнаружены только в г.

Сува, где за период 1912-1943 гг. частота типа succinea уменьшилась с 42,6% до 32%, встречаемость типов conspicua и spectabilis увеличилась с 42,3% и 9,5% до 49,8% и 13% соответственно, а частота жуков с элитрами типа axy­ ridis колебалась от 3,9% до 5,6% без определенного направления. Продол­ женный в 1950-1965 гг. (Komai, Chino, 1969) анализ долговременной измен­ чивости полиморфизма данного признака в этой популяции показал, что об­ наруженная тенденция сохранилась. Авторы не связывают обнаруженную ими изменчивость популяционной генетической структуры с антропогенны­ ми факторами, но не отрицают ее возможной корреляции с изменениями ло­ кального климата в г. Суве и его окрестностях. Исследования внутрипопуляционной динамики анализируемого признака в течение ряда последователь­ ных лет и сравнение полученных результатов с данными Ф.Г. Добржанского проводились также в популяции г. Владивостока в 1978-1981 гг. (Богданов, Гагальчий, 1986) и в 1983-1987 гг. (Холин, 1990). Результаты этих исследо­ ваний, противоречащие друг другу, уже излагались выше. В целом следует подчеркнуть, что данные по долговременной динамике полиморфизма у Н. axyridis очень малочисленны и пока не позволяют сделать однозначных выводов.

Исследования сезонной динамики различных полиморфных признаков имеют существенное значение для выяснения механизмов поддержания по­ лиморфизма и решения вопросов о его адаптивности (Дубинин, Тиняков, 1946; Гершензон, 1946; Тимофеев-Ресовский, Воронцов, Яблоков, 1969; Северцов, 1981; Алтухов, 1989; Воронцов, 1999).

Уже является классическим, вошедшим в большинство монографий и учебников по теории эволюции, пример сезонной динамики полиморфизма, описанной Н.В. Тимофеевым-Ресовским (Timofeeff-Ressovsky, 1940) у A. bipunctata в Берлин-Бухе. На основании многолетних наблюдений (1929г.г.) им было обнаружено циклическое понижение частоты меланистических генотипов во время зимовки и нарастание их доли в остальные сезо­ ны. Н.В. Тимофеев-Ресовский с сотрудниками (1966) показал, что одним из механизмов поддержания сбалансированного полиморфизма является сезон­ ное изменение векторов естественного отбора на разные генотипы, и назвал такой тип сбалансированного полиморфизма адаптационным. Аналогичные сезонные изменения генетического состава обнаружены также для некоторых других популяций^, bipunctata в Англии (Marriner, 1926; Creed, 1975). Клас­ сические представления о механизмах такой сезонной динамики у A. bipunctata основаны на том, что повышенная смертность меланистов во время зимовки компенсируется нарастанием их численности во время актив­ ного сезона за счет большей активности меланистов при спаривании, которая была обнаружена Я.Я. Лусисом (1961). Позднее было показано, что это пре­ имущество основано на предпочтительном выборе самками при спаривании самцов-меланистов, которое, однако, наблюдается не всегда, а лишь при низ­ кой численности меланистов (Muggleton, 1979; O'Donald, Majerus, 1984). В то же время, в Ленинграде и его пригородах показана стабильность соотноше­ ния различных морф в разные сезоны (Захаров, Сергиевский, 1980), также как во многих популяциях Англии, Норвегии, Чехословакии (Honek, 1975;

Сергиевский, 1985). Повторные исследования в конце 70-х гг. в Берлин-Бухе также показали отсутствие сезонных колебаний в частотах меланистов (Majerus, Zakharov, 2000).

Сезонные изменения относительных частот разных типов рисунка над­ крылий изучались также и в отдельных популяциях Н. axyridis. С. Тан (Tan, 1949) обнаружил сезонные изменения встречаемости жуков с элитрами типов conspicua и succinea в популяции Ханьджоу (юг Китая), где частота типа suc­ cinea в апреле 1947 г. составляла 42,6%, а в ноябре того же года- 58,5%. Час­ тота типа conspicua, напротив, в апреле была существенно выше, чем в сен­ тябре. С. Тан предположил, что более влажный весенне-летний климат более благоприятен для conspicua, а более сухой осенний — для succinea. Однако он основывался на наблюдениях, сделанных в течение только одного сезона, ко­ торые, к сожалению, продолжены не были. Также исследования сезонной из­ менчивости Н. axyridis в течение активного периода проводились Н. Осава и Т. Нишида (Osawa, Nishida, 1992) в 1985, 1987 и 1988 гг. в популяции Бота­ нического сада Университета г. Киото. Эти авторы обнаружили наличие сходных изменений для частоты фенотипа succinea, которая значимо возрас­ тала от весны к осени за все три года наблюдений. Однако в отличие от дан­ ных С. Тана, изложенных выше, частота фенотипа conspicua в этой популя­ ции между весенней и осенней генерациями жуков практически не менялась, а частоты spectabilis и axyridis в разные годы менялись по-разному, в целом компенсируя изменчивость частоты фенотипа succinea. Полевые наблюдения показали, что в весенней генерации не меланисты (succinea) значимо чаще, чем меланисты, участвуют в спаривании, а лабораторные эксперименты по­ зволили сделать вывод о том, что в основе этого явления лежит предпочти­ тельный выбор самками (как не медалистами, так и меланистами) для спари­ вания самцов — не меланистов. Таким образом, в данной популяции у Н. axy­ ridis наблюдается ситуация на первый взгляд противоположная обнаружен­ ной у A. bipanctata. Однако, обращает на себя внимание тот факт, что попу­ ляция Киото, в которой проводилось данное исследование, характеризуется низкой (около 15%) частотой не маланистов. Аналогичное исследование по­ пуляции Джиху (Ueno et al., 1998), где фенотип succinea встречается уже с частотой около 20%, показало более частое участие самцов - не меланистов в спаривании в 1992 г., а в 1993 г. практически нет. Возможно, в данном слу­ чае, также как у A. bipimctata, имеет место частотно-зависимый отбор.

В то же время, анализ сезонной изменчивости состава нескольких по­ пуляций Н. axyridis в Приморье, для которых характерна низкая частота ме­ ланистов (10-15%), проведенный в течение непродолжительного периода времени (1-2 года) (Холин, 1990) на основе сравнения весенних и осенних выборок не показал каких-либо сезонных различий.

Были предприняты также попытки оценить селективную ценность раз­ ных фенотипов элитр по их выживаемости в период зимней диапаузы. Так, Т. Комаи с соавторами (Komai et al., 1950) в течение 2 лет в лабораторных условиях анализировали смертность жуков с различными фенотипами элитр во время зимней диапаузы (при температуре около 0°). Жуки были отловлены в городах Сува и Киото и выборки из разных популяций содержались раз­ дельно. По обеим популяциям и в оба года были получены сходные данные, показавшие достоверную статистически значимую повышенную смертность жуков с элитрами фенотипа axyridis, которая превышала смертность жуков фенотипа succinea примерно на 20,5%, фенотипа spectabilis - на 19% и сопspicua - на 16%. Различия в смертности жуков с фенотипами succinea, spect­ abilis и conspicua между собой не были достоверны. Избирательная смерт­ ность Н. axyridis во время зимовки была обнаружена также в одной из популяций Читинской области (Корсун, Панова - личное сообщение). Этими ав­ торами для пяти различных популяций области попарно сравнивались вы­ борки погибших жуков, обнаруженных в местах массовых зимних скоплений со сборами живых жуков, сделанных в тех же местах. В сборах, сделанных в с. Единение, доля жуков с элитрами axyridis среди погибших особей состави­ ла 24,5%, а среди собранных живыми в окрестностях места зимовки — только 3,6%; доля succinea среди погибших составила 70,2%, а среди живых - 89,2%;

частоты фенотипов spectabilis и conspicua различались не значительно. В че­ тырех других точках сбора существенных различий между выборками живых и погибших жуков обнаружено не было. Авторы объясняют обнаруженные различия между исследованными популяциями эколого-географическими причинами: популяция, в которой обнаружена повышенная смертность жу­ ков с элитрами axyridis находится в степной зоне, в то время как четыре ста­ бильных популяции — в лесостепных или таежных биотопах. Не отрицается также возможное влияние миграции особей фенотипа axyridis к местам зи­ мовки из близко расположенных покрытых лесом предгорий (и, очевидно, в обратном направлении после зимовки).

Таким образом, данные по сезонной динамике полиморфизма рисунка элитр у Н. axyridis очень эпизодичны и еще более противоречивы, чем у A. bipunctata.

1.2.3.3.Микрогеографическая изменчивость Одним из механизмов поддержания сбалансированного полиморфизма может являться микрогеографическая изменчивость, обусловленная различ­ ными микростациальными или ландшафтными предпочтениями разных фе­ нотипов (и соответствующих аллелей и генотипов). Такой механизм поддер­ жания полиморфизма описывается в рамках концепции "множественных ниш" ("multiple niche polymorphism") (Dobzansky, 1951; Prount, 1968; Bulmer, 1972; Garcia-Dorado, 1986). Хотя среди насекомых известно довольно много примеров внутрипопуляционной изменчивости, связанной с выбором кон­ кретного местообитания (Futuyma, Peterson, 1985), на кокцинеллидах подобные исследования, по крайней мере, в связи с изучением полиморфизма ри­ сунка элитр, практически не проводились. Исключение составляет анализ микрогеографической изменчивости Н. axyridis в популяции г. Санаджи (Komai, Hosino, 1951), где в течение трехлетних наблюдений (1948-1950 гг.) было обнаружено регулярное достоверное увеличение частоты жуков с элитрами типа axyridis на деревьях хвойных пород, а увеличение долей фенотипа conspicua и в значительно меньшей степени - succinea - на фруктовых де­ ревьях и в сельскохозяйственных угодьях. Встречаемость фенотипа spectabilis в разные годы на разных типах растительности менялась незакономерно.

Авторы связывают обнаруженные ими микропопуляционные различия с воз­ можной специализацией разных фенотипов по кормовой базе. Эксперимен­ тальным подтверждением такого предположения можно считать обнаружен­ ное в лабораторных условиях у Н. axyridis пищевое предпочтение по отно­ шению к разным видам корма (Soares et al., 2004). Однако, поскольку авто­ рами использовались особи лабораторной популяции фенотипа aulica - ред­ кого для этого вида, эти данные можно рассматривать лишь как косвенное доказательство. В то же время, С.К. Холин (1988) сообщает о фенотипической специфичности групп микропопуляций, коррелирующей с различиями в типах ландшафтов.

В целом, подводя итог данным литературы по исследованиям внутрипопуляционной динамики полиморфизма рисунка элитр у кокцинеллид не­ обходимо отметить, что в большинстве популяций наблюдается сбалансиро­ ванный полиморфизм. Наличие долговременной изменчивости в отдельных популяциях (в которых, соответственно, полиморфизм является переход­ ным), по-видимому, определяется сочетанием особенностей их генофонда сантропогенными факторами. Данные по сезонной и микрогеографической изменчивости, являясь очень фрагментарными и противоречивыми, тем не менее, позволяют предполагать наличие у изучавшихся видов различных ме­ ханизмов, обеспечивающих поддержание сбалансированного полиморфизма в стабильных популяциях: дифференциальная смертность различных фенотипов в разные сезоны, дифференциальная приспособленность разных фено­ типов к локальным различиям среды и неслучайное скрещивание, которое может возникать как в результате предпочтительного выбора самками для спаривания самцов определенных фенотипов, так и быть следствием частот­ но-зависимого отбора в пользу более редких фенотипов. В то же время, не­ обходимо подчеркнуть, что ни один из предложенных к настоящему времени механизмов поддержания сбалансированного полиморфизма рисунка элитр у кокцинеллид не является универсальным, каждый из них "работает" не все­ гда и не везде.

1.2.4. Изучение у Coccinellidae внутривидовой изменчивости Исследования, основанные на изучении популяционной динамики только одного полиморфного признака, не всегда дают достаточную инфор­ мацию для решения многих проблем микроэволюции. Естественно, для по­ лучения более полной картины генетической структуры популяций и проис­ ходящих в них эволюционных процессов необходимо изучение изменчиво­ сти комплекса признаков, как с известной генетической детерминацией, так и с неизвестной. Такие признаки могут быть как независимыми, так и сопря­ женными (или скоррелированными), поскольку структура корреляций между признаками, может варьировать в разных популяциях, являясь самостоятель­ ной популяционной характеристикой (Животовский, 1987).

У некоторых видов кокцинеллид помимо рисунка надкрылий известны и другие полиморфные признаки, в том числе морфологические. К сожале­ нию, их изменчивость изучалась очень мало, соответствующие немногочис­ ленные данные литературы рассматриваются далее.

У многих видов божьих коровок дискретная изменчивость известна не только для рисунка элитр, но и для рисунка пронотума. Однако в большинст­ ве случаев энтомологами этот признак рассматривается только как систематический, его изменчивость считается вторичной и тесно связанной с измен­ чивостью рисунка элитр. Возможно, именно в связи с этим он до сих пор не привлекал внимание эволюционистов в качестве самостоятельного признака.

В то же время Я.Я. Лус (Лусис) (1928, 1932) проводя экспериментальные скрещивания у A. bipunctata, анализировал наследование не только рисунка элитр, но и рисунка переднеспинки (пронотума). Полученные им данные по наследованию этого признака были противоречивы, однако он пришел к вы­ воду о том, что: "развитие меланистического пигмента на переднеспинке скорее всего зависит от тех же генов (которые определяют рисунок элитр), а не самостоятельных факторов Р-р'-р", сцепленных с S (ген, определяющий рисунок надкрылий), как это предполагалось нами раньше".

К аналогичным выводам о генетической детерминации этих двух при­ знаков одним мультиаллельным локусом у С. inacuales пришел и К.Дж. Хастон (Houston, 1979).

Изменчивость рисунка пронотума как самостоятельного признака у Н. axyridis изучалась Ф.Г. Добржанским еще в начале 20 в. (Dobrzansky, 1924). Проанализировав около 2000 экз. из разных локалитетов он выделил дискретных типов рисунка пронотума и показал наличие значительной кор­ реляции этого признака с рисунком элитр. Наследование этих признаков к тому времени экспериментально не исследовалось. Генетика рисунка перед­ неспинки у этого вида, насколько нам известно, не изучалась и позднее.

Данные по популяционной изменчивости этого признака в литературе отсутствуют.

1.2.4.2. Изменчивость элитрального гребня у Н. axyridis У Н. axyridis известен еще один морфологический признак, наследова­ ние которого изучалось экспериментально (Hosino, 1936; Tan, 1942 - цит. по Komai, 1956). Это элитральный гребень, представляющий собой поперечный хитиновый валик, расположенный на дистальных концах элитр в 1-2 мм от их краев. Развитие этого признака контролируется одним аутосомным диаллельным геном. Аллель (г), определяющий отсутствие гребня, является рецессивным, особи, несущие доминантный аллель (R), имеют элитральный гребень, величина которого может сильно варьировать. Этот признак насле­ дуется независимо от рисунка элитр и о его функциональном значении ниче­ го не известно. Географическая и темпоральная изменчивость элитрального гребня изучалась только для популяций Японии и очень ограниченно - Кореи и Китая (Komai et al., 1950; Komai, Chino, 1969). Для изучавшихся участков ареала показано, что частота жуков, имеющих элитральный гребень, очень высока (около 95%) в Китае, Корее и на о. Хоккайдо. На территории Японии обнаружена клинальная изменчивость, аналогичная таковой по признаку ри­ сунка элитр, но несколько менее выраженная. Частота рецессивного аллеля г плавно увеличивается в направлении с северо-востока на юго-запад от при­ мерно 7% на о. Хоккайдо (что соответствует аналогичному показателю в по­ пуляциях северо-восточного Китая и Кореи) до 94% на о. Кюсю.

Кроме того, была обнаружена временная изменчивость этого признака в популяции г. Хокуока (о. Кюсю), где частота особей с элитральным греб­ нем уменьшилась от 25% в сборах 1925 г. до 12% - в 1944 г., и в популяции из окрестностей г. Сува, в которой с 1918-1920 гг. по 1954 г. частота особей, имеющих элитральный гребень, в целом увеличилась от примерно 52,5% до 57,5%, но эти различия не были статистически достоверны. В то же время к 1964-1965 гг. встречаемость элитрального гребня существенно и статистиче­ ски достоверно уменьшилась до 46 %. Таким образом, динамика встречаемо­ сти этого признака в популяции г. Сува резко отличается от обнаруженной для типов рисунка элитр, которая описана выше. Авторы (Komai, Chino, 1969) считают, что эти данные говорят о том, что динамика фенотипов ри­ сунка элитр в популяции г. Сува определяется не миграцией из соседних по­ пуляций, а является ее адаптивной реакцией на изменения среды. В популя­ циях российской части ареала ни географическая, ни временная изменчи­ вость встречаемости элитрального гребня не изучались.

Как видно из вышеизложенного, многие данные по географической и внутрипопуляционнои динамике рисунка элитр у кокцинеллид и у H. axyridis, в частности, фрагментарны и довольно противоречивы, единой теории, адекватно объясняющей все имеющиеся факты, пока не существует.

Для прояснения этих вопросов, очевидно, неоходимы исследования популяционной динамики комплекса признаков, как морфологических и биохими­ ческих, так и молеклярно-генетических. Однако до сих пор подобных ком­ плексных исследований на кокцинеллидах практически не проводилось. Да­ же у Н. axyridis - широкоареального вида, у которого наблюдается полимор­ физм как минимум по трем морфологическим признакам, не понятны пока ни механизмы поддержания сбалансированного полиморфизма рисунка элитр, ни причины геофафической изменчивости этого вида, ни его внутривидовая структура. Для прояснения этих вопросов на основе изучения изменчивости комплекса полиморфных признаков и было предпринято наше исследование.

Материалом для данной работы послужили многолетние массовые сбо­ ры Н. axyridis из различных локалитетов российской части видового ареала, сделанные нами, а также по просьбе Н.Н. Воронцова и моей разными коллек­ торами. Весь собранный материал был смонтирован мной и в виде энтомоло­ гической коллекции хранится в ИБР РАН им. Н.К. Кольцова. Также в работе использовались некоторые сборы И.А. Захарова, хранящиеся у него.

Большинство сборов делались во время массового осеннего лета коро­ вок на зимовку (или весеннего вылета после зимовки). Жуки собирались все подряд (без специального выбора) в местах скоплений на стенах или окнах домов, а также на скалах или крупных камнях. Мои собственные сборы из п.

Листвянка (1983 г.) и окрестностей Байкальска (1983 г.), а также алтайские сборы А.С. Богданова (2006), А.С. Баранова (1983) и сбор из заповедника "Бастак" М.Ф. Бисерова (май 2001 г.) были сделаны из размножающихся ко­ лоний, причем часть жуков собиралась на стадии куколок. Всего по морфо­ логическим признакам было проанализировано 47 выборок общим объемом 29695 экз. из 27 различных точек. Места и даты сборов, объемы выборок, фамилии коллекторов сведены в табл. 1. Дополнительно, для исследования полиморфизма молекулярно-генетического маркера последовательность нуклеотидов участка гена COI мтДНК была проанализирована у 25 экземпляров из Денвера (США) (И.А. Захаров, сентябрь 2004 г.), 22-х - из Владивостока (В.П. Кораблев, осень 2007) и 27-ми - из Горно-Алтайска (И.А. Захаров, сен­ тябрь 2005 г., табл. 1).

Кроме того, для составления кадастрового списка находок вида и ана­ лиза географической изменчивости качественного состава популяций по ал­ лелям гена, определяющего рисунок элитр, в тех участках ареала, из которых отсутствуют массовые репрезентативные выборки, использовался материал энтомологической коллекции ЗИН РАН - около 5000 экз. из 79 локалитетов, в том числе сбор из Верхоленска объемом 77 экз. (Родионов, 1912 г.), использованный при статистическом анализе географической изменчивости.

Зап. Сибирь Новосибирск Алтай Прибайкалье п. Листвянка Забайкалье Хабаровский с. Пашково Еврейская п. Теплоозерск 2.2.1. Первичный анализ морфологических признаков и методы Рисунок элитр, рисунок пронотума, наличие у жуков элитрального гребня и пол анализировались с помощью бинокуляра при 16-ти - 32-х кратном увеличении. Разделение по полу проводилось по окраске головы: у самцов Н. axyridis голова, как правило, светлая, не имеющая четких меланизированных пятен, у самок голова полностью темная, либо имеет четко очер­ ченное крупное меланизированное пятно на лбу. У небольшого числа особей с промежуточной окраской головы пол был определен по форме последнего сегмента брюшка.

На первом этапе данные наблюдений сводились в таблицы сопряжен­ ности, статистический анализ которых проводился в пакете Statistica 6.0 в опции основные статистики: таблицы флагов и заголовков, а также таблицы частот. Для оценок частот фенотипов рисунка элитр и рисунка пронотума, и их статистических ошибок использованы стандартные формулы (Животовский, 1991) - S p = A /p(l-p)/N; где N - объем выборки, р - частота фенотипа, S p статистическая ошибка ее оценки. Частота рецессивного аллеля г (q r ), опре­ деляющего в гомозиготном состоянии отсутствие элитрального гребня, рас­ считывалась исходя из соотношения Харди-Вайнберга по формуле qT=*/Q, где Q - доля жуков без элитрального гребня (рецессивных гомозигот), а ста­ тистическая ошибка ее оценки - Sq=^Jq(l-q)/4N.

Для оценки степени сопряженности рисунка пронотума с рисунком элитр Ф.Г. Добржанский (Dobrzansky, 1924) использовал коэффициент кор­ реляции Пирсона. Однако в настоящее время известно, что этот коэффициент хорошо описывает сопряженность количественных признаков, имеющих нормальное распределение. В то же время рисунок пронотума, рисунок элитр и пол являются качественными признаками, которые могут быть измерены только в номинальной шкале. Из нескольких известных в настоящее время мер, оценивающих силу взаимосвязи изменчивости качественных признаков, в нашем случае оптимальной представляется мера V-Крамера (Аптон, 1982;

Животовский, 1991; Гуц и др., 2003), которая принимает значения от 0 до 1 и позволяет оценивать степень корреляции признаков по несимметричным таб­ лицам сопряженности. Этот коэффициент рассчитывается по формуле Sv= /l/iV-min(fc-l,/H-l), где N - объем выборки, /сит- количества градаций признаков в таблице сопряженности, из которых в формуле учитывается ми­ нимальное значение.

При оценке коэффициента V-Крамера для каждой выборки, наиболее редкие типы рисунков пронотума были объединены (как показано на рис.9), т.к. их самостоятельная частота слишком мала для корректного использования показателя V, базирующегося на статистике %, требующей достаточно больших ожидаемых частот всех сопряженных классов.

Для оценки общего уровня разнообразия рисунка пронотума у жуков с разными фенотипами элитр и общего уровня внутрипопуляционного разно­ образия по рисунку пронотума и рисунку элитр использовались показатели популяционного разнообразия: коэффициент \i (среднее число морф), оцени­ вающий уровень внутрипопуляционного разнообразия, и Ь и (доля редких морф), характеризующий структуру этого разнообразия (Животовский, морф признака, pi — рт— их относительные частоты и N — объем выборки (Животовский, 1980).

Для взаимной классификации выборок по распределению частот фено­ типов рисунка элитр и пронотума, аллеля г и гаплотипов молекулярного мар­ кера применялся кластерный анализ, который проводился в пакете Statistica 6.0 в опции Многомерные исследовательские методы, анализ кластера, по методу полной связи (Complete Linkage) с использованием матрицы эвклидо­ вых дистанций (Euclidean distances).

Достоверность сходства и различий выборок по распределению частот вариаций признаков оценивалась по критерию % : при р>0,05 выборки при­ знавались однородными, при р=0,9488; п. Теплоозерск - заповедник "Бастак" - бухта Троица - х =0,6430, />=0,9582; Архара - о. Попова - Сихотэ-Алиньский заповедник - с. Дубовый ключ - % =9,4064, /7=0,4007; Кедровая падь - бухта Емор X 0,1410, /7=0,9319. В то же время, выборки из некоторых географически близких популяций (Владивосток - бухта Емор, Архара - п. Широкий, с.

Пашково - п. Тегоюозерск, с. Дубовый ключ - заповедник "Кедровая падь") значительно сильнее отличаются друг от друга и оказываются в разных кла­ стерах. При этом выборки из Архары и п. Широкий статистически достоверно различаются между собой - % =20,4609, />=0,0001, а остальные - нет (р>0,01 во всех случаях). Таким образом, в этой зоне ареала географические закономерности межпопуляционных различий в распределении фенотипов элитр не обнаружены, а амплитуды межпопуляционных колебаний частот всех фенотипов, обычных для этой группы выборок, не велики и не превы­ шают обнаруженные при анализе внутрипопуляционной изменчивости в по­ пуляциях Владивостока и о. Попова.

Таким образом, обобщая результаты анализа макрогеографической из­ менчивости рисунка элитр можно сказать, что в пределах исследованной час­ ти ареала существуют две зоны, в которых направленная макрогеографическая изменчивость практически отсутствует (самая западная часть ареала и обширная северо-восточная часть, включающая Амурскую область и весь Дальний Восток), и две зоны клинальной изменчивости (Прибайкалье и За­ байкалье), между которыми по оз. Байкал проходит зона перерыва клины, в которой частоты фенотипов элитр меняются скачкообразно.

3.2.2. Изменчивость элитрального гребня.

Напомню, что элитральный гребень - поперечный хитиновый валик, расположенный на нижних концах элитр - морфологический признак с из­ вестной генетической детерминацией, популяционная изменчивость которо­ го изучалась только для очень ограниченной части ареала. Внутри- и межпопуляционная изменчивость этого признака в популяциях российской части видового ареала в данной работе анализируется впервые. Встречаемость жу­ ков, не имеющих элитральный гребень (Q(rr)X т - е - рецессивных гомозигот, анализировалась в большинстве имеющихся выборок. Поскольку для признака элитрального гребня не известны факты отклонения популяций от со­ стояния генетического равновесия, и этот признак котролируется одним аутосомным диаллельным геном при полном доминировании, можно восполь­ зоваться соотношением Харди-Вайнберга и оценить внутри- и межпопуляционную динамику также по частоте рецессивного аллеля (q r ).

3.2.2.1. Внутрипопуляционная динамика Для оценки внутрипопуляционной изменчивости по этому признаку данные по частоте рецессивных гомозигот (Q(rr)) и соответствующего аллеля (qr) в имеющихся у нас повторных выборках из некоторых популяций (всего 21 выборка из 9 точек сбора) сведены в табл. 7. Здесь же указаны результаты Таблица 7. Внутрипопуляционная изменчивость элитрального гребня Листвянка Ботанический ст. Седанка проверки достоверности различий между повторными выборками по крите­ рию х- Данные табл. 7 показывают, что достоверными можно признать (на уровне значимости 0,05) только различия между выборками 1960-го и 1983го гг. из популяции пос. Листвянка. При этом выборки, собранные в последо­ вательные сезоны (весна - осень) в заповеднике "Бастак" (% и/> - Таблица 7) и на ст. Седанка в 2002 - 2003 гг. (х =0,5859, />=0,7461), соответственно одно­ родны. Также однородными являются выборки из Владивостока, сделанные в разных точках города в один сезон: для выборок 1995 г. Академгородок - Бо­ танический сад - %2=2,0917,/>=0,1481; 2002 г. - Академгородок - ст. Седанка г. - 2-я речка - Академгородок - ст. Седанка - ст.

Угольная - х 2 =4,6297, />=0,2010; 2004 г. - Академгородок - ст. Седанка - х =0,0280, />=0,8671. Таким образом, за исключением выборки из популяции пос. Листвянка, ни сезонная, ни микрогеографическая, ни долговременная изменчивость встречаемости элитрального гребня не обнаруживается.

В связи с полученными результатами анализа внутрипопуляционной динамики этого признака, для оценки географической изменчивости элит­ рального гребня однородные повторные выборки были объединены, а из по­ пуляции пос. Листвянка учитывается более поздняя - 1983 г. Частоты рецес­ сивных гомозигот (Q(rr>) и соответствующего аллеля (q r ) приведены в табл. 8.

Здесь же для удобства последующего анализа и обсуждения результатов при­ ведены аналогичные данные литературы по другим участкам ареала. Кроме того, для удобства совместного анализа географической изменчивости элит­ рального гребня и рисунка элитр, частоты рецессивного аллеля (qr) нанесены на ту же карту, что и частоты фенотипов рисунка элитр (рис. 6). По данным табл. 8 и по рис. 6 хорошо видно, что популяции западной части ареала (от Кемерово до Байкальска), имеющие очень высокие частоты аллеля г (и соот­ ветствующего рецессивного фенотипа), резко отличаются от популяций се­ веро-восточной части ареала (от п. Архары до бухты Троица), в которых со­ ответствующие частоты очень низки. В пределах этих групп межпопуляциТаблица 8. Географическая изменчивость элитрального гребня Кемерово пос. Листвянка данные Т. Комаи с соавторами (Komai et al., 1950).

онная изменчивость частоты этого аллеля не имеет определенного географи­ ческого направления. Выборка из Н. Цасучея (Восточное Забайкалье, Читин­ ская область) по встречаемости жуков без элитрального гребня и, соответст­ венно, частоте аллеля г занимает промежуточное положение между этими двумя группами.

Чтобы более детально оценить характер и уровень межпопуляционных различий был проведен кластерный анализ, результаты которого представле­ ны на рис. 8 в виде дендрограммы, по которой хорошо видно, что группа воеточных популяций образует Новосибирск Горно-Алтайск Сихотэ-Алинь п. Теплоозерск с. Дубовый ключ зап-к "Бастак" Рис.8. Результаты кластерного анализа из западных популяций, дис­ географической изменчивости наличия элитрального гребня но, эти популяции различаются существеннее. Тем не менее, статистически достоверно отличаются от остальных только выборки из Новосибирска и Горно-Атайска, выборки из других популяций этой группы по критерию % однородны (х =1,9519,/7=0,7446) при статистически достоверных различиях для всей группы в целом (% =23,1530, /?=0,0007). Кроме того, по дендрограмме хорошо видно, что дистанции между выборками в каждом из двух класте­ ров (и в соответствующих группах популяций) не зависят от географического расстояния между ними.

Анализ внутривидовой изменчивости рисунка пронотума проводился на значительной части материала, включающей все выборки из Новосибир­ ска, Иркутска, п. Листвянки, д. Байкал, Байкальска, с. Н. Цасучей, п. Теплоозерск, зап-ка "Бастак", Сихотэ-Алиньского зап-ка (18.10.82), с. Дубовый ключ, Владивостока (1995 - 2004 гг.) и б. Троица (подробное описание выбо­ рок приведено в табл. 1). Анализ рисунка пронотума у 14597 экз. позволил выделить в исследуемом материале 14 дискретных фенотипов, фотографии которых приведены на рис. 9. Пять из них (1, 2, 5, 9, 13) совпадают с выделеными Ф.Г. Добржанским (Dobrzansky, 1924), остальные описываются впер­ вые. Фенотипы расположены на рисунке в порядке снижения степени меланизации и обозначены арабскими цифрами под каждой фотографией. Рим­ скими цифрами над фотографиями указаны полученные в результате объе­ динения некоторых фенотипов категории (классы), которые использованы для оценки внутрипопуляционных коэффициентов сопряженности (VКрамера) рисунка пронотума с фенотипом элитр.

VI VII VIII

Рис. 9. Дискретные фенотипы рисунка пронотума, выделенные в ис­ Все 14 выделенных фенотипа достаточно четко отличаются друг от друга, несмотря на то, что величина пятен, образующих рисунок, сильно варьирует. В целом по характеру распределения меланина на пронотуме можно выделить 3 большие группы типов рисунка.

Для 9-14-го фенотипов характерен рисунок, образованный четырьмя, симметричными относительно продольной оси, пятнами и одним непарным пятном, расположенным в нижней части пронотума на оси симметрии. У 13-го фенотипа все пятна изолированы друг от друга. Величина центрального пятна варьирует вплоть до его постепенного исчезновения (12-й и 14-й ти­ пы). Величина остальных пятен может увеличиваться вплоть до их соедине­ ния друг с другом в двух направлениях: оба верхних пятна соединяются с не­ парным центральным пятном (10 тип), либо верхние пятна соединяются с нижними попарно (11-й, 12-й типы). У 9-го фенотипа все пятна соединяются между собой, образуя М-образную фигуру.

Группа фенотипов 4-8 характеризуется дальнейшим увеличением, по сравнению с 9-м фенотипом, (от 8-го к 4-му) размеров всех пятен до их слия­ ния между собой также в двух направлениях. В последовательном ряду типов 8 - 6 - 2(3) сначала полностью сливаются верхние пятна и затем нижние, а в серии фенотипов 7 - 5 - 4 - 2(3) сначала объединяются нижние пятна, а затем верхние.

Для 1-го - 3-го типов характерно наличие сплошной меланизированной зоны в центре пронотума и лишенные пигмента зоны по боковым краям элитр. При этом у 1-го фенотипа лишенные меланина зоны имеют форму уз­ кой полоски, у 2-го - эти зоны существенно больше по размеру и имеют овальную форму, 3-й тип характеризуется сокращением меланизированной зоны в верхней части пронотума и, соответственно, наличием депигментированной перемычки между боковыми светлыми зонами.

Необходимо отметить, что различия между 2-м и 3-м типами в значи­ тельной степени являются количественными, ширина светлой полосы, со­ единяющей боковые светлые зоны, уменьшается очень постепенно вплоть до ее исчезновения. Таким образом, изменение рисунка между этими двумя ти­ пами могут трактоваться как модификационные. Такими же, по-видимому, являются различия между 11-ми 12-м, а также 13-м и 14-м типами. Перехо­ ды между остальными фенотипами значительно более дискретны, особи с промежуточным характером рисунка практически не встречаются.

3.2.3.2. Сопряженность рисунка пронотума с фенотипом элитр.

Высокая сопряженность изменчивости рисунка пронотума с рисунком элитр была обнаружена еще Ф.Г. Добржанским (Dobrzansky, 1924). Однако он анализировал довольно ограниченный по объему материал и использовал для определения степени корреляции коэффициент Пирсона. В данной рабо­ те предпринято аналогичное исследование на значительно более массовом материале и с использованием более адекватного показателя корреляции ка­ чественных признаков - коэффициента сопряженности Крамера -V, преиму­ щества которого обсуждались при изложении методов исследования.

Анализ сопряженности рисунка пронотума (14 категорий) и рисунка элитр (4 категории: conspicua, spectabilis, axyridis, succinea) показывает нали­ чие высокозначимой корреляции этих признаков с показателем степени со­ пряженности У-Крамера=0,5521±0,0047 п р и / ? « 0, 0 1. Также величины пока­ зателя V-Крамера были оценены отдельно только среди меланистов (3 кате­ гории фенотипа элитр: conspicua, spectabilis, axyridis) и для всей выборки, при объединении меланистов в один класс (т.е. для 2-х категорий фенотипа элитр: меланисты и succinea). Они равны соответственно 0,1307±0,0127 и 0,9425± 0,0081, при/?«0,01 в обоих случаях.

Коэффициент сопряженности оценивает количественно силу взаимо­ связи признаков, чтобы понять качественный характер этой взаимосвязи, не­ обходимо проанализировать состав сопряженных классов, и оценить разли­ чия в распределении типов рисунка пронотума среди жуков с разными фено­ типами элитр. Частоты фенотипов пронотума для каждого из фенотипов элитр представлены в виде соответствующих гистограмм на рис. 10, по кото­ рым хорошо видны принципиальные различия в распределении частот встре­ чаемости разных типов рисунка пронотума у жуков с разными фенотипами элитр. Там же указаны соответствующие числовые значения в процентах.

Так, 1-ый тип рисунка пронотума является очень редким для всех фенотипов элитр. Типы 2-ой и 3-й наиболее типичны для всех меланистов и очень редки у succinea. Типы 4-ый и 5-ый достаточно обычны для всех меланистов и со­ ставляют в сумме около 13% у conspicua и spectabilis, и чуть больше 22% у axyridis. Не обнаружен у меланистов 6-ой тип, а у succinea он встречается с частотой чуть более 1%; 7-ой и 8-ой типы также редки у succinea, а у меланиsuccinea (11390 экз.) 1,10% 0,62% 0,38% 0,54% 0,81 % 1,15% 1,25% 2,26% стов встречаются единичные экземпляры. Пронотум 9, самый массовый у succinea, у меланистов отсутствует, за исключением axyridis, среди которых была обнаружена единственная особь такого типа. Все фенотипы пронотума с 10-го по 14-й отсутствуют у меланистов, а у succinea 11-й и 13-й являются обычными, 10-й, 12-й и 14-й - относительно редки. Таким образом, частот­ ные распределения типов рисунка пронотума у жуков с меланистическими фенотипами элитр являются в значительной степени сходными и резко отли­ чаются от характера изменчивости у жуков с элитрами фенотипа succinea.

Для более полного анализа степени изменчивости рисунка пронотума для каждого фенотипа элитр были рассчитаны также показатели разнообра­ зия jii и hfl. Для жуков с элитрами фенотипа conspicua значения этих коэффи­ циентов равны 3,88±0,11 и 0,35±0,02 соответственно, spectabilis - 3,52±0,11 и 0,41±0,02, axyridis - 4,36±0,08 и 0,38±0,02, succinea - 7,90±0,07 и 0,44±0,01.

3.2.3.3. Половой диморфизм рисунка пронотума Еще одним важным показателем изменчивости любого признака явля­ ется ее зависимость (или отсутствие таковой) от пола. Проведенный нами анализ сопряженности рисунка пронотума с полом показывает наличие вы­ сокозначимой (/7=0,0000) корреляции, хотя степень ее не очень велика (VКрамера=0,4509721). Чтобы лучше понять характер и природу обнаруженно­ го полового диморфизма, очевидно, необходимо учесть уже описанную выше сопряженность рисунка пронотума с рисунком элитр и оценить половые раз­ личия в частотном распределении типов рисунка пронотума для жуков с ка­ ждым фенотипом элитр по отдельности. Данные по встречаемости феноти­ пов рисунка пронотума среди особей разного пола и с разными фенотипами элитр представлены в виде соответствующих гистограмм на рис. 11. Там же указаны соответствующие коэффициенты популяционного разнообразия и. и Ь,!, в данном случае характеризующие степень и структуру разнообразия ри­ сунка пронотума для каждого фенотипа элитр и одновременно для каждого пола.

По гистограммам хорошо видно, что независимо от фенотипа элитр для самцов характерно увеличение долей относительно менее меланизированных фенотипов. Так, у жуков типа succinea доли всех относительно более мелани­ зированных фенотипов (с 1-го по 8-й, кроме 5-го) уменьшаются от 11,56% (в сумме) у самок до 3,31% у самцов; доля 9-го фенотипа (средняя степень ме ланизации) также уменьшается от 61,68% (у самок) до 34,26% (у самцов); до­ ли же всех менее меланизированных фенотипов (с 10-го по 14-й) у самок меньше, чем у самцов и их суммарная частота увеличивается от 47,54% (у самок) до 62,43% (у самцов). У меланистов эта же тенденция выражена еще 61% •h„=0,48±0,0l 38% ц=7,21±0, 0.4% 0,1% 0,1% 0,3% 1.1% 0.2% 0,9% 0,3% Spectabilis самки (467 экз.) Conspicua самки (424 экз.) Рис. 11. Половой диморфизм рисунка пронотума более отчетливо. Так, 3-й фенотип рисунка у самок встречается примерно в 3-5 раз реже, чем 2-ой (относительно более меланизированный), а у самцов чаще (conspicua и axyridis) или примерно с такой же частотой (spectabilis).

Частоты 4-го и 5-го фенотипов изменяются еще существенней, составляя у самок в сумме 0,24%-3,08% и достигая у самцов 30,72% - 46,66%.

Количественно оценить обнаруженные различия в уровне полового диморфизма у жуков с разными фенотипами элитр можно, вычислив соот­ ветствующие коэффициенты сопряженности. Величина коэффициента сопряжености (V-Крамера) рисунка пронотума с полом для жуков с элитрами фенотипа succinea оказалась равной 0,43±0,01, conspicua - 0,53±0,04, spectabi­ lis - 0,56±0,04 и axyridis — 0,60±0,02. Таким образом, у жуков с фенотипом элитр succinea уровень половых различий по изменчивости рисунка проно­ тума минимальный, у conspicua и spectabilis он значимо больше и сходен ме­ жду ними, жуки с элитрами axyridis имеют максимальный уровень полового диморфизма, однако его отличие от такового у conspicua и spectabilis нахо­ дится в границах статистической ошибки, т.е. - не является достоверным. В то же время, величины коэффициента сопряженности рисунка пронотума с фенотипом элитр у жуков разного пола практически идентичны и составляют 0,55±0,01 - у самок, 0,57±0,01- у самцов при анализе по четырем основным фенотипам элитр, и 0,96±0,01 - у самцов, 0,94±0,01 - у самок при объедине­ нии всех меланистов в один класс.